一种镍钛复合催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种镍钛复合催化剂及其制备方法与应用。本发明专利技术的镍钛复合催化剂以化学式Ni/TiO2来表示，其中，催化剂载体为TiO2，Ni元素以小尺寸的金属态镍纳米颗粒均匀分散在所述催化剂载体上；Ni与TiO2之间具有强相互作用，表面存在丰富的氧缺陷；所述Ni元素在所述载体上的负载量为2

【技术实现步骤摘要】
一种镍钛复合催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于催化剂制备技术及应用领域，涉及一种镍钛复合催化剂及其制备方法应用。

技术介绍

[0002]化石能源是目前人类社会经济发展必不可少的主要动力元素，大量化石燃料的消耗给人类带来了巨大的经济效益，提高了人类的生活水平，但同时也产生了大量的CO2，导致温室效应和能源危机。国际气候变化委员会预测，到2100年，地球大气中的CO2含量将高达590ppm，全球平均温度将上升1.9℃，由此引发的全球气候变化将导致不堪设想的灾难性后果。鉴于大气中CO2浓度上升对全球气候造成的严重影响，开发新技术进行CO2的去除或转化亟不可待。
[0003]电催化技术是通过外加电场作用下的电极反应直接降解底物，或是利用电极或催化材料具有的催化活性，产生大量具有强氧化性的自由基和底物进行反应；优点是工艺过程简单，可以在常温常压下进行，无二次污染，但需要不断地补充外界能量；热催化技术是以热能的形式向催化反应体系注入跨越热力学势垒的能量，来驱动催化反应的进行，该技术通常在高温高压下进行，因此能源的大量消耗也成为该技术发展的最大障碍；光催化技术的基本原理是：光照射半导体光催化剂时，如果光子的能量高于半导体的禁带宽度，则半导体的价带电子从价带跃迁到导带，在导带和价带上分别产生光生电子和空穴。空穴具有很强的氧化能力，而光生电子具有很强的还原性，使得半导体表面的电子受体被还原。该技术的优点是但受限于自身的能带限制，目前所使用的催化剂如WO3(Journal of Materials Chemistry A,2018,6(15):6265
‑
72.)、TiO2(Applied Catalysis B:Environmental,2017,210(131
‑
40.)、ZnO(Journal of Materials Chemistry A,2019,7(27):16294
‑
303.)等材料仅能够对紫外或紫外和部分可见光做出响应，而这部分光只占全光谱47％左右，即接近50％的太阳光被浪费(Journal of Materials Chemistry A,2019,7(19):11985
‑
95)。因此，提高太阳光的利用率则成为了光催化领域的研究热点。
[0004]考虑到热催化的能耗以及传统光催化体系的太阳光利用率低，催化反应动力不足两方面的问题，利用全光谱光源中红外光的加热作用驱动催化反应，以实现高效的光驱动热催化，具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种镍钛复合催化剂，所述催化剂以化学式Ni/TiO2来表示，其中，催化剂载体为TiO2，Ni元素以小尺寸的金属态镍纳米颗粒均匀分散在所述催化剂载体上；Ni与TiO2之间具有强相互作用，表面存在丰富的氧缺陷。
[0006]根据本专利技术的实施方案，Ni元素在所述载体上的负载量为2
‑
50wt％，优选为5
‑
30wt％，更优选为5
‑
20wt％，例如为5wt％、8wt％或10wt％。
[0007]根据本专利技术的实施方案，所述催化剂载体TiO2通过金属有机框架法制备得到。
[0008]根据本专利技术的实施方案，所述镍钛复合催化剂的比表面积为50
‑
160m2/g，优选为60
‑
150m2/g，例如为146m2/g、131m2/g、61m2/g。
[0009]根据本专利技术的实施方案，所述镍钛复合催化剂的孔容为0.2
‑
0.5cm3/g，优选为0.21
‑
0.36cm3/g，例如为0.36cm3/g、0.31cm3/g、0.25cm3/g。
[0010]根据本专利技术的实施方案，所述镍钛复合催化剂的平均孔径为5
‑
20nm，优选为8
‑
18nm，更优选为9
‑
15nm，例如为9.7nm、9.3nm或13.7nm。
[0011]根据本专利技术的实施方案，所述镍钛复合催化剂的平均粒径为100
‑
2500nm，例如为150
‑
800nm、200
‑
500nm。
[0012]根据本专利技术的实施方案，所述催化剂的制备原料可以选自下述组合物：镍盐、有机钛酸盐和苯甲酸型化合物；其中，所述镍盐可以选自硝酸镍(Ni(NO3)2·
6H2O)、氯化镍(NiCl2·
6H2O)、乙酸镍(Nickelous acetate)中的至少一种，优选为硝酸镍；有机钛酸盐可以选自钛酸四丁酯、钛酸异丙酯或钛酸正丙酯中的至少一种，示例性地，所述有机钛酸盐为钛酸异丙酯；进一步地，所述苯甲酸类化合物可以选自苯二元羧酸型化合物、苯三元羧酸型化合物、苯四元羧酸型化合物苯或者苯多元羧酸性化合物中的至少一种，示例性地，可以为苯二元羧酸型化合物。示例性地，所选苯二元羧酸型化合物可以选自对苯二甲酸型化合物、间苯二甲酸型化合物，示例性地，为对苯二甲酸。
[0013]优选地，所述组合物还可以包括有机溶剂，本专利技术对有机溶剂不做具体限定，可以选自本
已知的有机溶剂，例如为甲醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺、乙醇、异丙醇、三乙醇胺等中的至少一种。优选地，所述有机溶剂选自甲醇和/或N,N
‑
二甲基甲酰胺。示例性地，所述溶剂为甲醇和N,N
‑
二甲基甲酰胺，两者体积比为1:(5
‑
20)，优选为1:(8
‑
10)，例如为1:9。
[0014]本专利技术还提供上述镍钛复合催化剂的制备方法，所述制备方法包括：采用上述组合物，制备得到镍盐与钛基金属有机框架的前驱体，所述前驱体经焙烧、还原后，得到所述镍钛复合催化剂；其中，所述催化剂载体通过金属有机框架法制备得到。
[0015]根据本专利技术的实施方案，所述制备方法具体包括如下步骤：
[0016](1)将有机钛酸盐、苯甲酸型化合物、甲醇和N,N
‑
二甲基甲酰胺经过溶剂热法合成制得钛基金属有机框架；
[0017](2)将镍盐、步骤(1)得到的钛基金属有机框架均匀混合，经过滤、烘干后得到分散性均匀的催化剂前驱体；
[0018](3)将步骤(2)的催化剂前驱体经空气焙烧、还原焙烧后，得到所述镍钛复合催化剂。
[0019]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，有机钛酸盐为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯或钛酸正丙酯，示例性地，所述有机钛酸盐为钛酸异丙酯；
[0020]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所选苯甲酸型化合物为对苯二甲酸型化合物、间苯二甲酸型化合物，示例性地，为对苯二甲酸。
[0021]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，合成时间为12
‑
24小时，优选为15
‑
20小时。
[0022]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，合成温度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍钛复合催化剂，其特征在于，所述催化剂以化学式Ni/TiO2来表示，其中，催化剂载体为TiO2，Ni元素以小尺寸的金属态镍纳米颗粒均匀分散在所述催化剂载体上；Ni与TiO2之间具有强相互作用，表面存在丰富的氧缺陷；所述Ni元素在所述载体上的负载量为2
‑
50wt％。2.根据权利要求1所述的镍钛复合催化剂，其特征在于，所述催化剂载体TiO2通过金属有机框架法制备得到。优选地，所述镍钛复合催化剂的比表面积为50
‑
160m2/g，优选为60
‑
150m2/g。优选地，所述镍钛复合催化剂的孔容为0.2
‑
0.5cm3/g，优选为0.21
‑
0.36cm3/g。优选地，所述镍钛复合催化剂的平均孔径为5
‑
20nm，优选为8
‑
18nm。优选地，所述镍钛复合催化剂的平均粒径为100
‑
2500nm。优选地，所述Ni元素在所述载体上的负载量为5
‑
30wt％，更优选为5
‑
20wt％。3.根据权利要求1或2所述的镍钛复合催化剂，其特征在于，所述催化剂的制备原料可以选自下述组合物：镍盐、有机钛酸盐和苯甲酸型化合物；其中，所述镍盐可以选自硝酸镍(Ni(NO3)2·
6H2O)、氯化镍(NiCl2·
6H2O)、乙酸镍(Nickelous acetate)中的至少一种；有机钛酸盐选自钛酸四丁酯、钛酸异丙酯或钛酸正丙酯中的至少一种；优选地，所述苯甲酸类化合物选自苯二元羧酸型化合物、苯三元羧酸型化合物、苯四元羧酸型化合物苯或者苯多元羧酸性化合物中的至少一种。优选地，所述组合物还可以包括有机溶剂，优选地，所述有机溶剂选自甲醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺、乙醇、异丙醇、三乙醇胺等中的至少一种。优选地，所述有机溶剂选自甲醇和/或N,N
‑
二甲基甲酰胺。4.权利要求1
‑
3任一项所述的镍钛复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：采用上述组合物，制备得到镍盐与钛基金属有机框架的前驱体，所述前驱体经焙烧、还原后，得到所述镍钛复合催化剂；所述催化剂载体通过金属有机框架法制备得到。优选地，所述制备方法具体包括如下步骤：(1)将有机钛酸盐、苯甲酸型化合物、甲醇和N,N
‑
二甲基甲酰胺经过溶剂热法合成制得钛基金属有机框架；(2)将镍盐、步骤(1)得到的钛基金属有机框架均匀混合，经过滤、烘干后得到分散性均匀的催化剂前驱体；(3)将步骤(2)的催化剂前驱体经空气焙烧、还原焙烧后，得到所述镍钛复合催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，有机钛酸盐为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯或钛酸正丙酯，示例性地，所述有机钛酸盐为钛酸异丙酯；优选地，步骤(1)中，所选苯甲酸型化合物为对苯二甲酸型化合物、间苯二甲酸型化合物，示例性地，为对苯二甲酸。优选地，步骤(1)中，合成时间为12
‑
24小时，优选为15
‑
20小时。优选地，步骤(1)中，合成温度为120
‑
180℃，优选为150
‑
160℃。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的镍盐选自硝酸镍(Ni(NO3)2·
6H2O)、氯化镍(NiCl2·
6H2O)、乙酸镍(Nickelous acetate)中的至少一种，优选为硝酸镍。优选地，步骤(2)中，所述镍盐、有机钛酸盐、苯甲酸型化合物和有机钛酸盐的用量根据
所述镍钛复合催化剂中所需的化学计量数计算得到。优选地，步骤(2)中，所述过滤、烘干均...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾宏鹏，李强，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，
类型：发明
国别省市：